天体力学与天体测量基础PPT课件

-,1,复习火箭方程和质量比比冲量多级火箭航天器轨道机动改变轨道平面转移至圆轨道从地球轨道逃逸近圆轨道转移行星际探测,讲课内容,-,2,轨道的空间方位,黄道标架轨道标架轨道根数变换,黄道标架轨道标架轨道根数（方位）,标架变换,思考题：从ICRS到轨道标架的变换是什么？,-,3,状态向量变换式,轨道系黄道系,轨道系ICRS,-,4,天体状态的计算：ICRS,计算平运动计算平近点角解开普勒方程，求出偏近点角计算位置向量（轨道系）计算日心距计算速度向量（轨道系）计算关于ICRS的状态向量,已知,-,5,逆问题：由状态向量计算轨道根数1,已知：状态向量求：解：,思考题：以上结果与给定状态向量的参考系有关吗？,-,6,逆问题：由状态向量计算轨道根数2,已知：关于黄道系的状态向量求：解：,计算解出解出解出,-,7,逆问题：由状态向量计算轨道根数3,已知：关于ICRS的状态向量求：解：,计算关于黄道系的状态向量按上页方法计算根数,-,8,状态传递：1,已知求分析,-,9,状态传递：2,-,10,状态传递：3,-,11,推广的Kepler方程,已知,求：分析：,-,12,光行差,光行差：由于光速有限和天体关于测站的相对运动引起的视位置的改变.光行时：光线从天体传到地球经历的时间.,思考题：如何具体计算光行时？,-,13,光行差:真向径和视向径,真向径视向径视向径等于时刻的真向径光行差自然方向和本征方向,-,14,星历表计算：平位置和视位置,平位置：天体关于ICRS的状态向量.视位置：修正光线时延和偏折后，天体关于地心CIRS（真赤道系）的位置.星历表计算：由平位置归算视位置.要做岁差、章动和光行差修正，但不考虑测站位置和大气折射的影响.,-,15,行星星历表计算：步骤,按式计算真地心距计算光行时的近似值迭代计算光行时的精确值读取时刻天体的地心位置向量.计算视方向单位向量.计算真赤道系天球参考系变换矩阵计算关于真赤道参考系的视向向量计算赤经赤纬计算黄经黄纬,-,16,火箭动力学初步,-,17,火箭动力学早期发展历史,中国发明火箭，最早应用在在南宋抵抗蒙古侵略的战争中.16世纪，明朝官员万户进行了世界上第一次借助火箭升空的实验.19世纪，火箭经过阿拉伯人传到欧洲后，应用于当时及以后的多次战争中.1903年，俄国科学家K.E.Tsiolkovsky发表火箭方程.1919年，美国科学家RobertH.Goddard重新独立发表火箭方程.1923年，德国科学家HermannOberth提出了用火箭飞船进行行星际探测的设想.1946年，美国空军第一次研究发射人造地球卫星的有关课题.1956年，中国第一个火箭、导弹研究所国防部第五研究院成立，钱学森任院长.1957年10月4日，苏联发射世界上第一颗人造地球卫星.1957年，家张钰哲和张家祥发表论文人造卫星的轨道问题，奠定了中国人造卫星动力学研究的基础.1963年，钱学森出版星际航行概论.1970年4月24日中国发射第一颗人造卫星东方红一号.,-,18,火箭,问题：V初值0，V终值？,-,19,火箭方程和质量比,问题：火箭为什么能用于宇宙航行？,-,20,考虑重力场的修正：比冲量,比冲量的物理意义、单位和量纲是什么？火箭能够从地面起飞的条件是什么？,-,21,修正的火箭方程燃料耗尽时火箭的速度,在高度330km的地球圆轨道上运行的火箭，其速度是多少？问题：假定，为了把1kg物体送上高度330km的地球轨道，需要消耗多少燃料？为了从前题圆轨道逃逸，需要的速度增量是多少？,-,22,多级火箭,结论：为了将1kg物体（载荷+火箭）送上地球轨道，需要消耗95.5kg燃料！解决之道：多级火箭.,-,23,理想二级火箭方程,简化假设：二级火箭的参数相同.,-,24,多级火箭是实用的空间探测工具,改用理想二级火箭，为了将1kg物体（载荷+火箭）送上地球轨道，只需要消耗26kg燃料！,-,25,Appollo探月：月球轨道交会方案,载荷（SaturnIVB、月球登陆舱、服务舱和指令舱）送入地球轨道；SaturnIVB点火，把月球登陆舱、服务舱和指令舱送入探月转移轨道；服务舱发动机制动，使整个飞船进入绕月轨道；登月舱分离并下降至月球表面；月面探测；登月舱携带的起飞舱飞离月面返回月球轨道并与服务舱和指令舱对接；服务舱发动机点火把飞船推入返回地球的轨道；指令舱返回地球,-,26,Appollo探月：SaturnV火箭,-,27,高111米，直径10米，总重3,000顿.可送120顿载荷至LEO第一级S-IC，高42米，直径10米，用煤油燃料，在168秒升空67km第二级S-II，高25米，直径10米，用液氢燃料.第三级S-IVB，高18米，直径6.6米，用液氢燃料.顶部是Apollo服务舱和指令舱.,-,28,Appollo探月：SaturnV火箭,左：SaturnV在发射架上；中：S-IC分离；右：S-II分离后，S-IVB在飞行中.,-,29,Appollo探月：登月舱,-,30,其他火箭推进方式,离子推进核动力推进电子推进激光推进太阳能推进,NASA的2.3kWNSTAR离子推进发动机,-,31,航天器轨道机动,为了实现各种需要的轨道改变，如何计算必需的速度增量？,-,32,航天器轨道机动：改变卫星轨道平面,-,33,改变卫星轨道平面,由赤道轨道变为极轨：为小量：结论：改变轨道倾角要求很大的速度增量或能量，因而难以达到.,-,34,由椭圆轨道转移至圆轨道,在近地点和远地点转移至圆轨道时，所需的速度增量分别是多少？,-,35,由地球轨道逃逸,逃逸轨道.逃逸点：近地点，还是远地点？逃逸的速度增量是多少？,-,36,近圆轨道间转移Hohmann转移轨道,地球同步卫星行星际探测Hohmann转移轨道,问题：Hohmann转移所需的速度增量和时间各是多少？,-,37,练习,估算地球卫星由322km低轨转移至同步轨道所需的速度增量.,-,38,练习,某天体表面的逃逸速度为1.118km/s，假定此天体的密度与地球相同（），试求其半径.,思考题：若此天体的密度为地球密度的二分之一，其半径应为多少？,-,39,练习,设停泊轨道高度为h，地月距离为d，月球轨道速度为不计月球本身的影响，试近似估计探月Hohmann轨道需要的速度增量和飞行时间.,-,40,练习,若速度由高度为的圆轨道速度增加到，试求转移轨道的偏心率、半长径、近点速度和远点速度各为多少？飞船沿椭圆轨道围绕行星运动，近点距和远点距分别为和，如果飞船速度在远点增加了，请问近点距改变了多少？,-,41,行星际探测,行星际探测的轨道机动从地球逃逸太阳系的逃逸速度行星际飞行的轨道和时间弹弓效应与行星相会时通过借力增加或减小速度,-,42,行星际探测:木星,木星公转轨道的半径轨道速度,-,43,行星际探测:轨道机动,估算航天器由地球轨道进入到木星的Hohmann转移轨道所需的速度增量及到达木星所需的时间.,-,44,Hohmann转移轨道,-,45,行星际探测:发射窗口,航天器发射时，木星应在交会点前方的地方.,-,46,由太阳系逃逸,假定航天器在赤道低轨上以速度绕地球运